全新世亚洲季风变异与干旱演变及其驱动机制

近年,热带太平洋地区高分辨率气候记录研究对学界普遍接受的气候突变"高纬驱动说"提出质疑,全新世气候突变事件成为全球变化研究的前沿热点。亚洲季风-干旱环境是地球气候系统的关键组成部分,在全球物质和能量循环中起着重要作用。然而,亚洲季风区和干旱区全新世气候突变事件研究仍十分薄弱,百年-年代际气候变率研究尚未展开。本项目选择湖泊沉积和石笋为研究材料,以亚洲季风区和干旱区高分辨率气候记录的关键空白区为重点研究区,开展全新世气候变化的高分辨率、多指标综合集成研究以及多模式、多尺度数值模拟研究,以期查明亚洲季风区和干旱区全新世气候突变事件的结构特征与空间表现、百年-年代际气候变率的时空特征以及现代增温的自然背景,阐明全新世不同时间尺度亚洲季风变异和干旱演变的动力学过程与驱动机制。本项目有望在全新世气候研究领域取得引领性学术成果,在理论认识层面,为理解全新世气候变化机制提出原创性观点;在国家需求层面,为评估和应对全球变化提供科学支撑。     

全球增暖1.5℃下东亚气候系统的响应及其情景预估

巴黎协议提出将全球平均气温升幅控制在较工业化前2℃之内,并力争限制在1.5℃。因此,准确理解刻画增暖1.5℃下东亚气候系统响应机理及其精细结构,提高中国气候和极端事件预估的可靠性,设计优化增温1.5℃目标下我国碳减排方案,已成为全球变化及应对研究的核心内容和紧迫全新挑战之一。面对紧迫需求,项目拟围绕"全球增暖1.5℃下东亚气候系统的区域响应机制和精细结构、未来预估及其对我国碳减排放方案的影响"这一核心主题开展多学科交叉集成研究,并提出了4大重点研究内容,它们是:全球增暖1.5℃下年代际变化机理、预测及碳排放路径试验,东亚季风系统对全球增暖的响应及其机理,基于动力降尺度的东亚气候响应的精细结构及高敏感区,增暖1.5℃下中国气候和极端事件的集成预估及碳排放路径优化。     

海洋生态系统储碳过程的多尺度调控及其对全球变化的响应研究进展

海洋储碳机制及其对全球变化的响应是当前全球变化研究领域的重大科学问题,也是薄弱环节和难点所在,如何阐明典型海洋生态系统固碳过程和储碳机制,评估全球变化的影响,并进一步探寻古海洋沉积记录及其与现代过程的关联,建立海洋典型生态系统沉积碳库变动与全球变化联系仍是当前全球变化研究的核心问题。针对这一重要科学问题,国家重点研发计划"全球变化及应对"重点专项"海洋生态系统储碳过程的多尺度调控及其对全球变化的响应"项目,围绕核心主题"固碳过程-储碳机制-酸化影响-碳库变动"开展了系统的研究。近两三年来研究工作取得若干显著进展,较系统地阐明了西太平洋中低纬度边缘海浮游植物群落的时空格局、多样性特征与演变机制,深入揭示了海洋酸化抑制固氮束毛藻固氮和生长及其机理,揭示了南海珊瑚钙化对气候变化和海洋酸化的响应,为进一步深入阐明海洋生态系统储碳的调控机制及其对全球变化的响应这一科学问题奠定了良好的基础。     

全球变暖背景下东亚能量和水分循环变异及其对我国极端气候的影响

近年来,在全球气候变暖的影响下,干旱、洪涝、高温酷暑等极端气候事件频发,造成巨大损失。那么,如何减轻极端事件所造成的损失,成为当前国家经济建设和社会发展的当务之急。本项目紧扣这一国家重大需求,从对气候系统变化具有重要影响的能量和水分循环这两个主要过程入手,开展野外观测试验、多源资料整合分析、数值模拟等研究,系统揭示了东亚地区典型下垫面能量和水分循环变异的若干新特征及其对我国极端气候事件的影响过程和机理;在此基础上,研制了适用于我国几种极端气候事件的短期预测方法和系统,开展实时预测,服务于国家防灾减灾;最后开展我国未来气候变化预估,为国家中长期发展规划的制定提供科技支撑。经过五年的研究,项目取得了丰硕的研究成果,共发表学术论文495篇,其中SCI收录268篇。     

全球变暖背景下东亚能量和水分循环变异及其对我国极端气候的影响

近年来,在全球气候变暖的影响下,干旱、洪涝、高温酷暑等极端气候事件频发,造成巨大损失。那么,如何减轻极端事件所造成的损失,成为当前国家经济建设和社会发展的当务之急。本项目紧扣这一国家重大需求,从对气候系统变化具有重要影响的能量和水分循环这两个主要过程入手,开展野外观测试验、多源资料整合分析、数值模拟等研究,系统揭示了东亚地区典型下垫面能量和水分循环变异的若干新特征及其对我国极端气候事件的影响过程和机理;在此基础上,研制了适用于我国几种极端气候事件的短期预测方法和系统,开展实时预测,服务于国家防灾减灾;最后开展我国未来气候变化预估,为国家中长期发展规划的制定提供科技支撑。经过五年的研究,项目取得了丰硕的研究成果,共发表学术论文495篇,其中SCI收录268篇。     

关于我国重大气候灾害的形成机理和预测理论研究进展

鉴于我国旱涝等重大气候灾害发生频繁且造成严重经济损失,开展我国重大气候灾害的形成机理和预测理论研究不仅具有重大科学意义,而且是适应国家社会和经济发展的需求,具有重大应用价值."我国重大气候灾害的形成机理和预测理论研究"项目经过前两年的研究,很好地完成了预期的科学目标,并在几个方面取得重大进展.本项目对气候系统各圈层的变化及其相互作用,特别是对东亚气候系统各子系统的变化及其相互作用作深入分析研究,提出"东亚气候系统"、"东亚季风-暖池-ENSO循环相互作用"以及"高原大气热力适应"等与我国重大气候灾害形成机理有关的新理论,并在ENSO循环机理和数值模式研究取得突破,从而使我国对ENSO事件预测水平有较大提高;项目在上述理论研究的基础上提出我国跨季度气候异常的数值预测模型,成功地预测了我国1 998-2000年夏季发生的严重旱涝气候灾害;项目成功进行了"我国西北干旱区陆-气相互作用观测试验",获取了许多有关我国典型干旱区陆-气相互作用宝贵的科学观测数据,为开发大西北提供了可靠的气候环境资料.这些成果的取得,为今后3年的研究和最终完成项目5年的科学目标奠定了坚实的理论和数值模型基础.     

"青藏高原形成演化及其环境资源效应"研究进展

青藏高原是我国地学、生物学、资源与环境科学有特色的优势研究领域和难得的天然实验室.青藏高原研究对解决岩石圈地球动力学和全球环境变化有重要意义,对高原区域可持续发展也有广阔的应用前景.本项目选择青藏高原的典型地区为重点,特别注意从高原与毗邻地区的联系,以至从全球尺度探讨高原的各种过程,目标集中在大陆碰撞过程和高原隆升过程,以过程为主线贯通碰撞机制、环境变化和资源分布规律的研究;时间上着重新生代以来,在不同精细时间尺度上定量地描述碰撞和隆升的动态过程及环境变化.主要研究内容包括以下4个方面大陆岩石圈碰撞过程及其成矿效应;高原隆升过程与东亚气候环境变化;青藏高原现代表生过程及相互作用机理;青藏高原区域系统相互作用的综合研究.项目的实施紧密围绕预期目标,深入分析,加强学科交叉和综合研究,取得了如下主要研究进展和创新成果印度大陆与欧亚大陆初始碰撞时限;青藏高原南北缘山盆岩石圈尺度的构造关系;新生代高原北部重大的构造变形隆升事件序列;高分辨率气候动态过程及变化趋势;高原隆升对亚洲季风发展变化的影响;高原不同生态系统类型温室气体吸收与排放.同时,本文也论述了项目的实施在青藏高原研究的科学前沿及区域发展的国家需求等方面产生的影响和作用,并展望了青藏高原研究重要的前沿领域.     

黄土与第四纪地质国家重点实验室

黄土与第四纪地质国家重点实验室隶属于中国科学院,依托单位是中国科学院地球环境研究所,其前身为1984年成立的中国科学院黄土与第四纪地质研究室。实验室现有固定人员35人,现任实验室主任为周卫健研究员,学术委员会主任为中国科学院院士安芷生研究员。实验室以黄土等多种地质载体为研究对象将研究目标确立为:在长时间尺度上,探索东亚季风环境系统变化规律,研究东亚季风环境形成和演化过程及其与青藏高原阶段性隆升及全球变化之间的动力学联系;在短时间尺度上,通过100年、10年和1年分辨率气候环境变化序列的研究,探索其变化特点及其发生的原…     

年代际气候事件的归因及预估研究进展

年代际气候变化对人类生存环境具有重要的影响,会引发一系列重大灾害事件,造成严重的生命财产损失,危及人类粮食和水资源安全。因此,研究年代际气候变化的规律,预知年代际重大气候事件,是人类社会可持续发展的迫切需求。基于此,国家重点研发计划全球变化及应对重点专项项目"气候多尺度变化与年代际重大事件的归因及预估"于2016年7月正式立项。该项目旨在:(1)厘清全球气候多尺度变化的时空格局及年代际气候变化的规律;(2)揭示人类活动和多尺度气候变率对气候整体变化的作用及不同尺度气候变化的主控因子;(3)认识人类活动对年代际气候变化的调制作用,诊断年代际重大气候事件的早期信号。本文将对该项目2016～2018年取得的主要进展进行总结。     

基于多源卫星遥感的高分辨率全球碳同化系统研究进展

大气中CO_2浓度上升是全球气候变暖的重要原因,陆地生态系统碳汇显著减缓了大气中CO_2浓度上升和全球变暖的速度,但具有明显的时空变异性。全球碳同化系统是精确监测全球不同地区陆地生态系统碳汇的有效技术手段。本文将介绍全球碳同化系统的发展动态,国家重点研发计划项目"基于多源卫星遥感的高分辨率全球碳同化系统研究"的目标和主要研究内容,以及已经取得的主要进展,并展望了未来应用前景。     

全球变化对北半球木本植物多样性的影响研究

物种多样性的形成和维持机制是20世纪亟待解决的25个重大科学问题之一,其研究是生物多样性保护和利用的基石。北半球木本植物具有极其重要的生态价值,在东亚的多样性最高,尤其是中国具有丰富的森林类型、大量的木本特有种和孑遗种,对全球变化敏感。晚新近纪以来的全球气候震荡,特别是人类世以来的全球变化不断重塑物种的分布和多样性格局,亟需深入认识植物多样性的形成与维持机制及其对全球变化的响应,并据此制定科学的保护策略。本项目针对北半球木本植物多样性格局是如何形成的、生态多样性如何响应全球变化、未来全球变化情景下如何保护中国的植物多样性等3个问题开展研究,阐明北半球木本植物多样性格局的成因和响应全球变化的机理,揭示东亚地带性森林群落多样性与生态功能维持和响应气候变化的机制;建立北半球木本植物及其生态信息平台,预测未来中国珍稀濒危木本植物分布与适应性变化趋势,提出保护对策。     

高分辨率气候系统模式的研制与评估

高分辨率气候系统模式是全球变化研究的重要研究工具,对于提升我国应对气候变化问题的整体实力有重要的应用价值。全球变化研究国家重大科学研究计划"高分辨率气候系统模式的研制与评估"项目通过5年的努力,成功研制和发展了我国高分辨率气候模式系统和其评估系统,建立了通量集合耦合平台,取得的主要成果有:(1)成功研发了全球高分辨率气候系统模式BCC_CSM2,其大气水平分辨为50km,海洋水平分辨为30km,它改进了模式中一些重要物理过程的参数化方案,使模式性能得到明显提高,对当今气候基本态的模拟与国际上现有模式性能相当,对东亚气候的模拟有部分优势,增强了对热带气旋、台风等中小尺度过程的模拟能力;(2)成功解决了与模式高分辨率有关的部分科学问题,如东亚地形问题和经纬度网格极地问题、与高分辨率相适应的模式动力框架问题、中国东部独特的冷季层云与青藏高原地形相关问题等;(3)自主研制了全球0.5°×0.5°网格的格点模式动力框架,具有良好稳定性和物理守恒性,建立了全球高分辨率格点大气环流模式,实现了"云-气溶胶-辐射数值集合系统"(CAR)与全球格点大气环流模式IAP4的耦合,揭示了云的次网格尺度结构是造成辐射计算差异最主要原因的物理机制;(4)建立了多大气模式交互集合耦合平台,集成了包括本项目支持研发的格点和谱模式在内的15个国内外知名的分量模式,成为研究海-气相互作用、噪音对气候影响的一种创新分析工具;(5)建立了包括东亚地区云与辐射、东亚-西北太平洋季风、热带偏差机理、云辐射反馈过程与ENSO模拟改进等的耦合气候系统模式评估体系,为评估、改进项目研制的高分辨率模式提供了重要参考和方向。所研发高分辨率气候系统模式的阶段性中低分辨率模式参与了第五阶段耦合模式国际比较计划(CMIP5),建立了业务气候预测系统,为国内外开展气候及气候变化科学研究提供了大量宝贵的模拟数据,为IPCC AR5的编写提供了科学参考依据,提升了我国在气候变化领域的影响力和气候预测能力。     

大尺度土地利用变化对全球气候的影响

全球变化研究国家重大科学研究计划"大尺度土地利用变化对全球气候的影响"项目集中了国内外土地利用、气候、生态等领域的高水平研究机构,从"全球视角"出发,通过国际对比揭示与评估局地、区域和全球尺度土地利用/土地覆盖变化(Land-Use and Land-Cover Change,LUCC)过程对气候变化与生态系统的影响,不仅可以为全球变化与地球系统模式研究提供理论基础,而且对于科学调控人类土地利用行为,缓减与适应全球气候变化具有重要意义。本文简要介绍了该项目近5年取得的重要研究成果。     

全球变化对生态脆弱区资源环境承载力的影响研究

我国生态脆弱区占国土面积的一半以上,在全球变化和人类活动双重影响下,其生态服务功能逐渐减弱,资源环境承载力下降,严重威胁着区域生态安全与可持续发展。尽管国内外学者已对资源环境承载力的概念体系、评估方法等开展了大量研究工作,但是对生态脆弱区资源环境承载力形成过程及其对全球变化响应机理的认识还不够深入,致使其理论体系和评估方法还不够完善,关于全球变化对生态脆弱区资源环境承载力影响的评估结果还存在很大不确定性。本项目以我国典型生态脆弱区为对象,采用联网观测、联网控制实验、样带—区域调查等手段,开展关键资源环境要素时空变化特征和过程及其对全球变化的响应机理研究,发展资源环境承载力形成理论和生态系统演变与突变转型理论,构建资源环境承载力与资源环境系统脆弱性评估的指标体系及软件平台,准确评估全球变化对生态脆弱区资源环境承载力的影响,确定全球增暖1.5℃情景下的资源环境系统发生转折的阈值,编制生态脆弱区资源环境承载力和资源环境系统脆弱性高精度分布图,服务于国家对生态脆弱区生态安全与可持续发展的重大需求。     

过去2000年全球典型暖期的形成机制及其影响研究

本文简要介绍了"过去2000年全球典型暖期的形成机制及其影响研究"项目取得的主要进展:(1)新建了40余条高分辨率气候序列,显著提高了过去2000年中国气候变化序列的覆盖度和时间分辨率;(2)揭示了暖期气候的空间协同特征及历史典型暖期与20世纪暖期气候格局的差异;(3)诊断了自然驱动的历史暖期与温室气体驱动的20世纪暖期形成机制的差异;(4)量化分析了过去2000年气候变化对中国社会经济的影响与响应过程,辨识了冷、暖期对中国社会经济影响的主要差异。上述研究成果增进了对年代至百年尺度气候变化特征与机制的认识,对我国适应未来气候变化具有参考价值。     

我国季风区湖泊生态系统长期演变机理与生态安全

定量刻画湖泊生态系统结构变化及其对全球变化的线性和非线性响应过程特征,深入揭示湖泊生态系统演变和突变机制是全球变化研究的前沿领域。我国季风区湖泊生态系统长期演变机理与生态安全的研究瞄准这一国际前沿,针对我国季风区湖泊生态系统显著退化、增温导致的湖泊生态系统突变风险加大的态势,以及湖泊生态修复理论依据不足的现状开展工作。将通过现代湖泊调查、古湖沼学手段、多种数理统计方法以及模型模拟手段相结合,拟以生态系统结构变化为核心,研究气候和人类活动双重驱动下,季风区湖泊生态系统的响应,揭示不同时空尺度湖泊生态系统弹性变化和临界转换特征,基于弹性理论评估全球增暖背景下湖泊生态系统服务功能和生态安全。     

青藏高原重大冻土工程的基础研究进展与展望

国家重点基础研究发展计划"973"项目"青藏高原重大冻土工程的基础研究"(2012CB026100)实施5年来,围绕构筑物群相互热作用机制及其与冻土环境变化的响应过程、冻土区构筑物稳定性和工程服役性能的评价方法与理论、冻土工程走廊构筑物群致灾因子与灾害评估指标体系三大科学问题开展系统研究。在走廊冻土变化及其灾害时空演化规律、多年冻土地基热、力响应的多因素耦合机制、冻土工程构筑物基础稳定性与服役性能的评价与预测、冻土工程走廊构筑物相互作用及其对环境变化的响应、冻土工程灾害评估及其防治对策等方面进行了系统而全面的基础研究工作,推动了冻土工程学科的进一步发展,维护了我国冻土工程研究的国际领先地位,研究成果将为高原工程走廊重大冻土工程规划、建设、维护和生态环境屏障建设提供科学基础。本文对项目研究的主要突出进展做了介绍,并对未来的研究工作进行了展望。     

高影响海-气环境事件预报模式的高分辨率海洋资料同化系统研发

由于国家安全与社会经济可持续发展的迫切需求,MJO、ENSO、IOD和PDO等高影响海-气环境事件的预测一直是一个重要的研究领域。多尺度、多过程的复杂性使这些海气环境事件的预测至今仍然是气候科学最具挑战性的问题之一。由于海洋成分的长期记忆能力,耦合模式海洋成分的预报初始化对它们的预报有非常重要的作用。然而,国内现有的气候预测系统缺乏耦合模式框架下先进的海洋资料同化系统,同化的海洋资料种类也亟待增加。而针对MJO等季节内尺度和PDO等年代际尺度气候变率,现有气候预测系统的研究水平和业务能力更处于薄弱或空白状态,滞后于国际发展水平。针对全球变化的背景,需着重开展耦合模式的海洋资料同化研究,发展全球耦合模式的海洋资料同化系统,从而提高气候预测能力,增强我国气候防灾减灾的手段,提升我国全球变化研究的竞争力和国际地位。基于我国自主研发的海气耦合模式,项目将开展全球和区域多源海洋观测资料同化技术研究,突破耦合资料同化中海洋和大气之间的动力、热力平衡的关键技术问题,发展耦合模式框架下的参数估计和约束系统,研制具有业务化前景的高分辨率海洋模式的耦合同化系统,并开展MJO、IOD、ENSO和PDO等高影响海-气环境事件的综合评估和预测示范应用。     

编者按

<正>2017年,国家重点研发计划"全球变化及应对"重点专项围绕实施方案的五大研究任务,即"全球变化综合观测、数据同化与大数据平台建设及应用""全球变化事实、关键过程和动力学机制研究""地球系统模式研发、预测和预估""全球变化影响与风险评估研究""减缓和适应全球变化与可     

沙尘对我国西北干旱气候影响机理的研究

气候干旱化、水资源短缺是全球变化的主要特征之一。我国西北地区表现尤为突出,植被退化、荒漠化加剧、沙尘天气频发,严重制约了当地经济发展和西部大开发战略的实施。以往对沙尘天气的灾害性及其加速土地荒漠化研究较多,然而关于其向大气中输送的大量沙尘气溶胶对气候的影响,没有引起足够重视。干旱区降水效率低,而且干旱越严重越难形成降水的现象已引起科学家的高度关注,但是沙尘气溶胶扮演什么角色、通过什么途径与机制对云和降水产生影响尚不清楚。我国西北地区是全球主要的沙尘源区,受青藏高原或蒙古气旋影响,沙尘气溶胶可输送至对流层中上部及下游较远地区,对区域乃至全球气候产生重要影响。因此,沙尘对干旱气候的影响是一个重要科学问题。